báo cáo thực hành cad cam cnc chủ đề công nghệ in 3d

Công nghệ đùn vật liệu là công nghệ làm việc theo nguyên lý: vật liệu được gia nhiệt trong buồng chứa dạng xy lanh và được ép để đẩy ra ngoài qua một khuôn ép dưới tác dụng của áp lực đư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TP HCM, tháng 9 năm 2023

MỤC LỤC

A CHUẨN BỊ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1 Các công nghệ in 3D 3

1.1 Công nghệ đùn vật liệu (Material Extrusion – ME). 3

1.2 Có hai phương pháp chế tạo sản phẩm theo công nghệ đùn vật liêu 3

Bước 1: Lấy mẫu từ trang https://www.thingiverse.com/ 12

Bước 2: Chuyển dữ liệu thiết kế sang định STL hay định dạng chuyên dùng cho công nghệ in 3D 12

Bước 3: Cài đặt thông số công nghệ, cắt lớp file STL 12

Bước 4: Thiết lập các thông số công nghệ 17

Bước 5: Chế tạo sản phẩm 18

Bước 6: Lấy sản phẩm ra khỏi thiết bị sau khi hoàn thành 21

Bước 7: Hậu xử lý 21

Sản phẩm Minion sau khi in 21

Sản phẩm bánh răng sau khi in 22

C TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

A CHUẨN BỊ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Các công nghệ in 3D

1.1 Công nghệ đùn vật liệu (Material Extrusion – ME)

Công nghệ đùn vật liệu là công nghệ làm việc theo nguyên lý: vật liệu được gia nhiệt trong buồng chứa (dạng xy lanh) và được ép để đẩy ra ngoài qua một khuôn ép dưới tác dụng của áp lực được tạo ra bởi một piston, trục vít hoặc khí nén để vật liệu sau khi đùn ra có hình dạng như mong muốn Nếu áp lực không đổi, vật liệu được đẩy ra sẽ chảy với tốc độ không đổi và giữ nguyên hình dạng mặt cắt ngang ở vị trí đầu ra (ví dụ như vòi phun) Hình dạng này sẽ không thay đổi nếu tốc độ di chuyển của vòi phun không đổi và tương ứng với tốc độ dòng vật liệu chảy ra Vật liệu đang được ép đùn phải ở trạng thái chảy dẻo khi nó ra khỏi vòi phun và phải hoàn toàn hóa rắn mà vẫn còn giữ nguyên hình dạng đó Hơn nữa, vật liệu mới đùn ra phải liên kết với vật liệu đã được đùn trước đó để tạo nên một cấu trúc vững chắc Do vật liệu được ép đùn, các thết bị in 3D theo công nghệ này phải có khả năng di chuyển trong mặt phẳng ngang và đáp ứng yêu cầu về trạng thái đùn, dừng đùn đúng lúc trong quá trình với phun di chuyển Sau đó tạo thành một lớp vật liệu, bàn máy sẽ di chuyển lên trên hoặc xuống dưới để có thể tạo ra một lớp kế tiếp

1.2 Có hai phương pháp chế tạo sản phẩm theo công nghệ đùn vật liêu

Phương pháp sử dụng nhiệt độ để thay đổi trạng thái vật liệu rắn (thường là dạng sợi): Vật liệu dạng sợi rắn được hóa lỏng bên trong một bể chứa, được đùn ra qua một vòi phun và liên kết với lớp vật liệu liền kề trước khi hóa rắn Phương pháp này tương tư như các quá trình ép đùn nhựa thông thường với đầu đùn được gắn theo chiều dọc trên máy và di chuyển trong mặt phẳng ngang thay vì nằm ngang và cố định

Điển hình cho phương pháp này là công nghệ mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) hoặc công nghệ phát sinh từ nó là công nghệ chế tạo bằng cách đùn sợi (Fused Filament Fabrication - FFF)

Phương pháp sử dụng phản ứng hóa học để tạo sự hóa rắn: Vật liệu sử dụng cho phương pháp này thường ở dạng lỏng, được đùn ra qua vòi phun Chất hóa rắn (dung môi) phản ứng với không khí làm khô vật liệu và cho phép lớp vật liệu vừa đùn ra liên

kết với lớp đã được đùn trước đó Phương pháp này thường được sử dụng cho các ứng dụng sinh hóa, trong đó vật liệu phải có tính tương thích sinh học với tế bào sống (các thiết bị in 3D sinh học)

Ngoài ra còn có công nghệ phản quang hóa VAT (VAT Photopolymerisation), công nghệ kết hợp vật liệu bột trong mặt phẳng (Power Bed Fusion – PBF), công nghệ phun vật liệu (Material Jetting – MJ), công nghệ phun chất kết dính (Binder Jetting - BJ), công nghệ tấm mỏng (Sheet Lamination – SL), công nghệ lắng đọng năng lượng trực tiếp (Directed Energy Deposition - DED)

2 Công nghệ in 3D điển hình Công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM)

2.1 Sự ra đời công nghệ FDM

Công nghệ in 3D FDM được phát triển bởi S Scott Crump vào cuối những năm 1980 Hãng Stratasys bán chiếc máy sử dụng công nghệ FDM đầu tiên có tên “3D Modeler” năm 1992 Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối Phương pháp này được thương mại hóa bởi công ty Stratasys vào năm 1989 Sản phẩm chính của công ty là dòng máy FDM-900, FDM-1600 và FDM-1650 Vật liệu sử dụng trong FDM là các loại nhựa nhiệt dẻo: ABS, polyamid, nylon, sáp

Công nghệ FDM của Stratasys đến nay đã trở thành một công nghệ ở tầm cỡ công nghiệp Tuy nhiên, sự tăng trưởng mạnh mẽ của các máy in 3D tầm sơ cấp từ năm 2009 phần lớn lại không phải dựa trên công nghệ của Stratasys, mà dựa trên một công ty khác nối tiếng với công nghệ in này là MakerBot, họ có công nghệ tương tự và đặt đã đặt tên cho phương pháp in này là Fused Filament Fabrication (FFF) Điều đặc biệt của công nghệ này đó là nó không chỉ có khả năng in các nguyên mẫu mà còn in được các sản phẩm hoàn thiện cuối cùng đến tay người dùng Công nghệ này có hiệu suất cao và sử dụng kỹ thuật in nhiệt dẻo rất có giá trị đối với kĩ sư cơ khí và các nhà sản xuất, nhờ thế mà thành phẩm có phẩm chất tốt về mặt cơ học, nhiệt và hóa học

Thời gian in phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của một đối tượng in Các đồ vật nhỏ có thể in tương đối nhanh chóng trong khi các bộ phận phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian hơn So với kỹ thuật SLA, FDM thực hiện in chậm hơn

Vì giá thành máy và vật liệu in 3D rẻ, nên công nghệ này đang là công nghệ in 3D phát triển mạnh nhất, phổ biến nhất hiện nay (còn được gọi là công nghệ in 3D FFF) Điển hình là các dòng máy in 3D Reprap hoặc máy in 3D giá rẻ (Makerbot, Printerbot, Flashforge, )

- Bàn: có thể nâng lên hay hạ xuống khi cần thiết

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của FDM

Thông số sản phẩm khi chế tạo bằng SLA

Sơ đồ nguyên lý FDM 3 Ưu và nhược điểm

3.1 Ưu điểm

Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực Tốc độ tạo hình 3D nhanh Quá trình tạo mẫu nhanh của FDM không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng

Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn

3.2 Nhược điểm

Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao Khả năng chịu lực không đồng nhất

4 Nguyên lý làm việc Mô hình sản phẩm được tạo ra bởi phần mềm CAD sử dụng file JGES hoặc file STL

File CAD được cắt thành từng lớp, sau đó được xử lý bởi phần mềm Quickslide và Supportwork Cấu trúc đỡ chi tiết được tự động tạo ra nếu cần thiết

Vật liệu cung cấp sau khi qua đầu phun được gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn ra tấm đế theo đường dẫn bởi Quickslide tạo ra lớp đầu tiên Chiều rộng của vật liệu thoát ra có thể thay đổi trong khoảng 0,254mm-2,54mm

Khi một lớp vật liệu hoàn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển theo phương Z để tạo ra lớp kế tiếp Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp vật liệu trước đó Quá trình lặp lại cho đến khi mẫu được tạo ra hoàn chỉnh

Công nghệ FDM/FFF dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy sợi nhựa được lắng lại thông qua một đầu phun nhiệt trên một bề mặt Cử động của đầu phun được điều khiển dựa trên số liệu 3D được cung cấp đến máy in Mỗi lớp sau khi lắng lại sẽ rắn hóa và liên kết với lớp được in trước đó Công ty Stratasys đã phát triển một phạm vi rất rộng những vật liệu tầm cỡ công nghiệp độc quyền cho công nghệ FDM của họ và có thể ứng dụng trong nhiều quá trình sản xuất khác nhau Ở tầm thị trường sơ cấp, dù vẫn đang tiếp tục mở rộng nhưng vật liệu còn tương đối hạn chế Những vật liệu phổ biến nhất dành cho máy in 3D FFF ở cấp độ sơ cấp chính là nhựa ABS và PLA Ngoài ra, Công nghệ FDM/FFF cần có các cấu trúc hỗ trợ khi sử dụng trong ứng dụng có biên dạng nhô ra hoặc cắt ngầm Với FDM, để xử lý người sử dụng sẽ cần một vật liệu khác, thường là dạng lỏng, có thể làm trôi vật liệu hỗ trợ một cách dễ

dàng sau khi in xong Việc sử dụng vật liệu hỗ trợ có tính giòn cũng là một lựa chọn, do có thể dễ dàng loại bỏ bằng cách bẻ gãy hoặc cắt ra khỏi chi tiết Đối với các máy in 3D sơ cấp dạng FFF, thì vật liệu hỗ trợ vẫn là một hạn chế Tuy nhiên, với các hệ thống được phát triển, cải tiến để sử dụng với hai đầu phun, vấn đề này đã phần nào được giải quyết

Nói về chế tác hình mẫu, công nghệ FDM từ Stratasys là công nghệ có độ chính xác và tin cậy cao, tương đối thân thiện với môi trường văn phòng/studio, dù việc sử dụng các quá trình xử lý sau gia công có thể sẽ cần thiết trong nhiều trường hợp Ở mức độ sơ cấp, công nghệ FFF tạo ra những mô hình có độ chính xác kém hơn nhiều, nhưng vấn đề này vẫn đang không ngừng được cải thiện

Công nghệ này có thể tiêu tốn nhiều thời gian khi làm việc với một số biên dạng chi tiết phức tạp Khả năng gắn kết giữa các lớp cũng là một vấn đề cần phải cân nhắc, vì có thể làm ảnh hưởng đến độ kín của sản phẩm Tuy nhiên, quá trình xử lý sau khi in có thể giải quyết được phần nào vấn đề này

4.1 Nguyên lý hoạt động của máy in 3D với công nghệ FDM

Nguyên lý hoạt động của máy in 3D công nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối Vật liệu sử dụng ở dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3mm, được dẫn từ một cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển bằng động cơ servo Khi sợi được cấp tới đầu đùn nó được làm nóng sau đó nó được đẩy ra qua vòi đùn lên mặt phẳng đế

Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy được đẩy ra, đầu đùn sẽ di chuyển một biên dạng 2D Độ rộng của đường đùn có thể thay đổi trong khoảng từ (từ 0,193mm đến 0,965mm) và được xác định bằng kích thước của miệng đùn Miệng của vòi đùn không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế cần phân tích các mô hình tạo mẫu trước khi chọn vòi đùn thích hợp

Nguyên lí hoạt động của máy in 3D công nghệ FDM Từ máy in 3D (FDM) lớp vật liệu nóng chảy được đùn ra nó nguội nhanh trong khoảng 1/10(s) và đông cứng lại Khi một lớp được phủ hoàn thành trên mặt phẳng thì sẽ di chuyển sang một lớp khác mỏng thông thường từ 0,178mm đến 0,356mm và quá trình được lặp lại cho đến khi tạo xong sản phẩm

Về vật liệu tạo mẫu khá đa dạng: Trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM, đường kính đùn ra từ vòi phun nằm trong khoảng 0,25-1mm, vì vậy hầu hết các loại vật liệu nhiệt dẻo đều có thể dáp ứng được với việc thay đổi kích thước Ngoài ra, cùng một loại vật liệu nhưng có thể sử dụng nhiều màu sắc khác nhau để tạo ra những chi tiết yêu cầu nhiều màu sắc Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM tạo cơ tính tốt cho vật liệu tạo mẫu là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này, bởi vì nó đáp ứng tối đa các yêu cầu đa dạng của người sử dụng vật liệu

Trong những năm qua nhu cầu cho các bộ phận, mô hình chức năng liên tục phát triển và công nghệ FDM rất phù hợp với các yêu cầu ngày nay Công nghệ FDM có thể tạo ra những sản phẩm phức tạp mà các công nghệ tạo hình truyền thống không làm được Những sản phẩm với kết cấu phức tạp, những sản phẩm có các khoảng rỗng bên trong với vỏ ngoài kín, những sản phẩm mang tính chất từu tượng

5 Phạm vi ứng dụng - Tạo các mô hình mẫu - Chế tạo các bộ phận chi tiết nhỏ - Sử dụng được nhiều dạng vật liệu sinh học 6 Vật liệu

6.1 Nhựa ABS (Acrylonitrin butadien styren)

Acrylonitrin butadien styren (ABS): Được trùng hợp từ ba loại đơn phân là: acrylonitrile, butadiene và styrene, có tính chất kháng hóa chất, có độ bền kéo, va đập, độ cứng bề mặt, độ rắn, độ chịu nhiệt và các đặt tính về điện cao trong khi giá cả tương đối thấp Nhựa ABS có thể ở dạng tấm, màng và ở dạng định hình Nhiệt độ nóng chảy của loại nhựa này nằm trong khoảng 160 - 200 °C

Phân loại nhựa ABS: ABSplus nhiệt dẻo: Có độ cong vênh, co rút hoặc hấp thụ độ ẩm không đáng kể, cứng hơn vật liệu ABS tiêu chuẩn 4%

ABS-M30 nhiệt dẻo: Cứng hơn vật liệu ABS tiêu chuẩn 25-70% Độ bền kéo, va đập và độ bền uốn lớn hơn, lớp liên kết cứng hơn, bền hơn

ABS- M30i nhiệt dẻo: (chứng nhận ISO 10993) là vật liệu thích hợp trong lĩnh vực y tế, thực phẩm đóng gói công nghiệp và dược phẩm Nó có thể chịu được bức xạ gamma hoặc oxit ethylence (EtO) trong các phương pháp tiệt trùng

ABSi dẻo nóng: Vật liệu mờ, lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghiệp (ví dụ dùng để chế tạo vỏ kính ô tô) Đây là vật liệu có tính chất cơ học tốt và thẩm mỹ khi pha trộn ABSi dẻo nóng có sẵn trong tự nhiên, màu đỏ và màu hổ phách mờ

Nhựa ABS

6.2 Nhựa PLA (Polylactic Acid)

PLA là một loại nhựa nhiệt dẻo, có khả năng phân hủy sinh học và có nguồn gốc từ thực vật (lên men từ cây ngô ở Mỹ, các sản phẩm sắn ở châu Á hoặc cây mía)

Polylactic Acid có những ưu điểm như độ cứng cao, độ cong vênh thấp và có nhiều màu sắc hấp dẫn Nó có thể phân hủy trong điều kiện nhất định và rất khó tái chế Nhiệt độ nóng chảy của PLA nằm trong khoảng 130 - 230 °C

Nhựa PLA

B CHUẨN BỊ IN Bước 1: Lấy mẫu từ trang https://www.thingiverse.com/

Mẫu hoạt hình Minion Bước 2: Chuyển dữ liệu thiết kế sang định STL hay định dạng chuyên dùng cho công nghệ in 3D

Bước 3: Cài đặt thông số công nghệ, cắt lớp file STL

Điều chỉnh các thông số trên phần mềm Simplify 3D

Điều chỉnh thông số Layer

Điều chỉnh thông số Addtions

Điều chỉnh thông số Infill

Điều chỉnh thông số Support

Điều chỉnh thông số Temperature

Điều chỉnh thông số Cooling

Điều chỉnh thông số G-Code

Điều chỉnh thông số Scprits

Điều chỉnh thông số Speeds

Điều chỉnh thông số Other

Bước 4: Thiết lập các thông số công nghệ

Cân chỉnh bàn máy, vệ sinh, phủ chất kết dính lên bàn in,… để chuẩn bị quá trình chế tạo sản phẩm

Rửa kính và sau đó lau khô

Mẫu bánh răng khi đưa vào phần mềm Simplify 3D

Mẫu Minion khi đưa vào phần mềm Simplify 3D

Mẫu bánh răng khi đưa vào phần mềm Simplify 3D

Máy đang trong quá trình in

Bước 6: Lấy sản phẩm ra khỏi thiết bị sau khi hoàn thành Bước 7: Hậu xử lý

Xử lý bề mặt in bằng giấy nhám

Bước 8: Sử dụng

Sản phẩm Minion sau khi in

Sản phẩm bánh răng sau khi in.

C TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Giáo trình Công nghệ in 3D - Đại học quốc gia TP.HCM - Trường Đại học Bách Khoa

2 Ưu và nhược điểm của nhựa ABS: https://baobixanh.com.vn/nhua-abs